Особливості харчових продуктів та їх виробництва

4. Процеси перегонки та ректифікації

Існує 2 види перегонки  – проста і фракційна. Проста перегонка заснована на постійному нагріванні рідини з відводом пари. У перегінному апараті у рівновазі з рідиною знаходиться тільки частина утвореної пари. Простою перегонкою отримати чистий компонент неможливо., тому її застосовують у тих випадках, якщо не вимагається повне розділення суміші на чисті компоненти. Вона можлива у тих випадках, коли температури кипіння компонентів сильно розрізняються.

Фракційна перегонка – процес, що складається з декількох стадій: 1/ нагрівання вихідної рідини до кипіння і отримання деякої кількості пари визначеного складу; 2/ конденсація отриманої пари; 3/ випаровування конденсату для отримання пари нового складу. Більш багатої легко летючим компонентом. Розподілення сумішей проводять безперервно фракційною перегонкою, які називають ректифікація. В технологіях виробництва етилового спирту застосовуються процеси перегонки і ректифікації. Вилучення етилового спирту з бражки і його очищення здійснюються ректифікацією.

Ректифікацією називають процес розділення бінарної або багатокомпонентної рідини суміші на компоненти фракції, що розрізняються між собою летючістю.  Вилучення спирту засновано на різній летючості спирту та його домішок. Летючість домішок залежить від концентрації в середовищі етанолу.

Для оцінки летючості домішок по відношенні до летючості етанолу використовують таке поняття, як коефіцієнт випаровування і ректифікації. Коефіцієнтом випаровування є співвідношення

k = A/Q

де     k –  коефіцієнт випаровування;

         А – вміст етанолу в парах

          Q – вміст етанолу в рідині.

Для домішок відповідно приймаємо позначення α і β. В цілому k_дм= α / β.

Коефіцієнтом  ректифікації називається відношення коефіцієнту випаровування домішок до коефіцієнту випаровування етанолу

                                     k¹ =

Він показує збільшення, або зменшення вмісту домішок  по відношенню до етилового спирту.

Процес перегонки використовують також  в коньячному виробництві.

Дезодорація масел являє собою дистиляційний процес, метою якого є видалення з масла речовин – низькомолекулярних жирних кислот, альдегідів, кетонів та ін. летючих продуктів, які визначають запах і смак масла, а також виділення з рослинних масел небажаних чужорідних сполук.

На початку процесу олію підігрівають глухою парою до температури 100-120 ^оС, а потім подають гостру пару і поступово доводять температуру до 150-170 ^оС. Тривалість процесу 4-6 годин.

 

5. Утворення дисперсних систем та структура харчових продуктів

5.1 Утворення харчових емульсій та їх властивості

Емульсії – це дисперсні системи, що складаються з рідкої дисперсної фази і рідкого дисперсійного середовища. Обов’язкова умова утворення емульсії – нерозчинність речовини дисперсної фази в дисперсійному середовищі. Звичайно емульсії одержують методом механічного диспергування. Для цього використовують різні мішалки, змішувачі, гомогенізатори, колоїдні млини і ультразвук.

Рідини, з яких одержують  емульсії, нерозчинні одна в одній  і відрізняється своїми властивостями. Однією з рідин є вода, іншою – нерозчинна у воді рідина, звичайно це масло. В залежності від полярності фаз розрізняють 2 типи емульсій: 1/  прямі, які складаються з полярного дисперсійного середовища (води) і неполярної дисперсійної фази (масла), м/в і 2/ зворотні, які мають неполярне дисперсійне середовище (масло) і полярну дисперсну фазу (вода), в/м.

В залежності від концентрації дисперсної фази емульсії розділяють на три групи: 1/ розбавлені – з концентрацією дисперсної фази не більше 0,1 % від об’єму емульсії; 2/ концентровані – з концентрацією дисперсної фази від 0,1 до 74 % об’єму; 3/ висококонцентровані – з вмістом дисперсної фази вище 
74 % по об’єму. Від концентрації дисперсної фази залежать всі основні властивості емульсії, в першу чергу її стійкість і методи її стабілізації. При концентрації понад 90 %, емульсії набувають властивості гелів, тому їх називають желатиновими. Вони не мають текучості не здатні до седиментації.

Висококонцентровані емульсії, в яких досягнута максимально можлива концентрація дисперсної фази, називають граничними або гранично концентрованими. Емульсії – нестійкі системи, що пов’язано з самоплинному злитті крапельок дисперсної фази – коалесценції, що приводить до руйнування емульсії і розділення її на 2 шари. Стійкість емульсії може додати тільки третій компонент – стабілізатор або емульгатор.

Емульгатори – це розчинні поверхнево активні речовини (ПАР) і високомолекулярні речовини (ВМР) або нерозчинні порошкоподібні речовини, додання яких до емульсії робить їх стійкими.

Емульгатор адсорбується на межі розділення фаз масло-вода і  знижує міжфазний поверхневий натяг, а також концентруючись на поверхні крапельок дисперсної фази, емульгатор утворює механічно міцний шар (плівку), який перешкоджає їх злиттю дисперсної фази.

Емульгатори, які  розчинні у воді, сприяють утворенню прямих емульсій, а розчинні у неполярних рідинах, тобто маслі, дають зворотні емульсії.

До емульсій відноситься  молоко, вершки, вершкове масло, сметана, майонез. Жири краще засвоюються  у емульсованому стані. При виробництві маргарину, в нього в якості емульгатора додають органічні сполуки з класу складних ефірів, молекули яких складаються з полярної (гідрофільної) частини і неполярної (ліофільної або гідрофобної).

5.2 Харчові суспензії, їх утворення та властивості

Суспензії  представляють собою дисперсні системи з твердою дисперсною фазою і рідким дисперсійним середовищем з розмірами часточок вище, ніж у колоїдних системах, тобто у діапазоні 10^-6 – 10^-4. До них відносяться фруктові і овочеві пасти, помадні цукеркові маси, терте какао та ін.

Способи отримання і  стабілізації суспензій багато в  чому схожі з подібними для колоїдних розчинів – золів. Різка відмінність суспензій від колоїдів проявляється в молекулярно-кінетичних і оптичних властивостях. Явища дифузії і осмосу не властиві суспензіям. Проходження світла через суспензії не викликає опалесценції, тому що світлові проміні не розсіюються, а заломлюються і відбиваються частинками суспензії.

Седиментаційна стійкість  суспензії дуже мала внаслідок великих розмірів часточок. У суспензіях тверді часточки можуть знаходитися у завислому стані нетривалий час, потім вони осідають під силами тяжіння. Процесам агрегації частинок у суспензіях сприяють сили притягнення і утримування різної природи – гідрофобні, сили Ван-дер-Ваальса, електростатичні сили зв’язування часточок макромолекулами та ін.

Стабілізацію  суспензії можна проводити полімерами. При цьому уповільнюється седиментація, оскільки підвищується в’язкість дисперсійного середовища.

Підвищення концентрації дисперсної фази до максимально можливих призводить до утворення паст, які стійкі до седиментації в присутності стабілізаторів. У харчовій промисловості суспензії утворюються при одержанні крохмалю, при осадженні осадів у виробництві цукру, пива, вина, у кондитерській промисловості і ін.

5.3. Піни та піноподібні структури харчових продуктів

Піни – висококонцентровані дисперсні системи, у яких дисперсійне середовище – рідина, а дисперсна фаза – газ. Пухирці газу в пінах мають форму багатогранників, які відділені один від одного дуже тонкими шарами дисперсійного середовища. Для одержання пін застосовують інтенсивне струшування або перемішування рідини.

Стійку піну можна  отримати тільки в присутності стабілізатора  – піноутворювача. Ці умови виникають тому, що молекули поверхневого шару рідини на відміну від молекул, що знаходяться у глибині, піддаються неоднаковому тяжінню молекул рідини і газу. Кожна молекула усередині рідини з усіх боків притягується сусідніми молекулами, які розташовані на відстані радіуса сфери дії міжмолекулярних сил. В результаті сили тяжіння компенсуються і рівнодіюча цих сил дорівнює нулю.

У молекул поверхневого шару частина сфери, на яку діють міжмолекулярні сили, знаходиться у газовій фазі, щільність якої менше щільності рідини, тому рівнодіюча всіх сил тяжіння буде спрямована усередину рідини перпендикулярно до її поверхні. Наслідком цього є те, що поверхневі молекули рідини завжди знаходяться під дією сили, яка прагне втягнути їх усередину і призводить до того, що поверхня рідини завжди прагне скоротитися і зайняти мінімальну площу.

При збільшенні поверхні деяке число молекул із глибини рідини переходить на поверхню. Процес переносу молекул з рівноважного стану в особливий стан молекул поверхневого шару вимагає витрати зовнішньої роботи. Робота із збільшення площі поверхні рідини переходить у потенційну енергію молекул поверхневого шару – поверхневу енергію. Поверхнева енергія віднесена до одиниці поверхні, називається поверхневим натягом.

Піноутворюючі речовини зменшують поверхневий натяг, полегшують процес утворення піни і додають їй стабільності, тому що вони адсорбуються на межі фаз вода-повітря і утворюють високов’язку структуровану плівку, що перешкоджає стіканню рідини. У цьому випадку товщина шару рідини між пухирцями повітря зменшується повільно і піна може існувати тривалий час. Таким чином, утворення піни відбувається при продуванні газу через рідину. Сутність процесу піноутворення у тому, що пухирці газу, які оточені адсорбованим шаром  молекул ПАР, підіймаються до поверхні рідини і стикаються з плівкою.  Якщо поверхнева плівка міцна, то пухирці накопичуються на поверхні.

В якості піноутворювачів  використовуються різні ПАР –  білки, жирні кислоти, спирти, мила та ін. Піни з цими ПАР мають високу стійкість, тому що на поверхнях поділу утворюються желеподібні плівки. До природних ПАР відносяться – яєчний білок, фосфоліпіди, гідролізати молочного білка, мильний корінь, смоли, віск та ін., до синтетичних ПАР, які використовуються у хлібопекарному, макаронному і маргариновому виробництвах відносяться  Твіни. Фосфатидні концентрати найбільш широко використовують при виробництві хліба і хлібобулочних виробів, шоколаду, борошняних кондитерських виробів, маргаринової продукції. Моногліцериди дозволяють суттєво уповільнювати процес черствіння хлібобулочних і борошняних кондитерських виробів. Піноутворювачі використовують при виробництві зефіру, пастили, збивних мас, начинок, східних ласощів, халви та ін.

 

6. Хімічні процеси

6.1 Гідрогенізація та переетерифікація жирів

Гідрогенізація – процес насичення за допомогою каталізаторів воднем ненасичених жирних кислот, які входять до складу рідких рослинних жирів, і перетворення їх у тверді жири. Гідрогенізовані жири широко використовуються у харчовій промисловості для отримання маргарину. До подвійних зв’язків жирних кислот можуть приєднуватись кисень, бром, йод та інші прості і складні елементи.

Для виробництва таких  продуктів, як маргарин, кондитерські і кулінарні жири, стеарин, технологічні мастила різного призначення, необхідні  пластичні, високоплавкі і тверді при кімнатній температурі жири. Їх отримують з рідких рослинних жирів шляхом гідрогенізації в присутності нікелевого каталізатора на кізельгурі. В першу чергу відбувається гідрування жирних кислот, які містять більшу кількість подвійних зв’язків, а при рівній не насиченості – жирні кислоти, які утримують менше число атомів вуглецю.

Гідрування жирів супроводжується  процесом пере етерифікації, тобто  обміном радикалів, а також приводить  до зниження вмісту в суміші вітамінів  А і D, але практично не впливає на вміст вітаміну Е. З підвищенням температури гідрування, вологості водню, збільшенням тривалості процесу, зростає вміст у гідрованому жирі вільних жирних кислот і продуктів їхньої взаємодії з каталізатором. Відбувається ріст кислотних чисел жиру.

Пере етерифікація –  один з основних методів модифікації  молекулярного (триацилгліцеринового) складу жирової сировини. При етерифікації відбувається перерозподіл ацильних груп у триацилгліцеринах жиру або олії. Зміни взаємного положення ацильних груп можуть відбуватися в результаті переміщення арилів усередині триацилгліцерину або при обміні ацильних груп між триацилгліцеринами. При пере етерифікації склад жирних кислот жиру не змінюється, відбувається їхній статистичний перерозподіл у суміші триацилгліцеринів, що призводить до зміни фізико-хімічних властивостей жирових сумішей у результаті зміни молекулярного складу. Переетерифікація високоплавких тваринних і рослинних жирів з рідкими рослинними оліями дозволяє одержати харчові жири з високим вмістом линолевої кислоти. 

6.2 Гідролітичні процеси

Гідролітичні  процеси – процеси гідролізу складних речовин за участю води і ферментів до простих речовин, які впливають на смак (наприклад. гідроліз крохмалю до простих цукрі призводить до появи солодкого смаку) або на консистенцію (наприклад, гідроліз протопектину плодів і овочів призводить до їх розм’якшення). Крім того, покращується засвоюваність харчових продуктів.

При гідролізі крохмаль за участю амілаз розпадається до декстринів, а потім до мальтози і глюкози; сахароза, лактоза і мальтоза, під дією сахараз, – до моноцукрів; білки, під дією протеаз, – до протеїнів і амінокислот; жири, під дією ліпаз  – до жирних кислот і гліцерину; протопектину, під дією протопектинази, – до пектину та ін.

Сахароза при нагріванні з кислотами або під дією ферменту інвертази гідролізується з утворенням інвертного цукру, який складається з суміші глюкози і фруктози. Використання інвертного цукру при виготовлення концентрованої солодкої продукції – джему, желе, повидла, конфітюру, варення, запобігає її зацукрюванню.

Гідролітичні процеси  характерні для тваринних жирів, які являють собою складні  суміші, головним компонентом яких є гліцериди, переважно – тригліцериди.  Вони здатні до взаємодії з водою,  в результаті чого відбувається розщеплення ефірних зв’язків. Реакція гідролізу відбувається ступінчасто – спочатку відщеплюється один радикал жирної кислоти, з утворенням дигліцериду, потім другий – з утворенням моно гліцериду, потім третій – утворенням гліцерину і жирних кислот.